BIOMASA PRO ENERGETICKÉ
ÚČELY
Ing. Pavel Fuksa, Ph.D.
Katedra pícninářství a trávníkářství
Česká zemědělská univerzita v Praze Fakulta agrobiologie, potravinových a přírodních zdrojů
Termochemicky – suché procesy
spalování
zplynování
pyrolýza (jiné teploty a doba spalování)
Biochemicky – mokré procesy
anaerobní fermentace (bioplyn)
aerobní fermentace (kompostování a jímání plynu)
alkoholové kvašení (bioetanol)
Chemicky
esterifikace (MEŘO)
syntéza (plynná a kapalná paliva)
Získání energie z biomasy
Spalování biomasy
Výhody
- jednoduchý postup
- technicky vyřešené
- z hlediska velikosti univerzální
Nevýhody
- speciální technologie
- pouze produkce tepla = sezónní
- velké skladovací nároky
Akumulována v podobě organické hmoty
Energie slunečního záření + anorganické látky
syntéza energeticky bohatých látek 6 CO2 + 12 H2O → C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O
Zpřístupnění energie dalším organismům
Obsah energie jednotlivých částí rostlin - dle složení: Sacharidy 17,16 kJ.g-1
Bílkoviny 23,65 kJ.g-1
Tuky 39,56 kJ.g-1
Vazby uhlík-uhlík energeticky bohatší než vazby uhlík-kyslík
a uhlík-vodík
Energie v rostlinách
Obsah energie a výhřevnost biomasy
Brutto energie - spalné teplo původního bezvodého vzorku
Netto energie - spalné teplo hořlaviny; hmotnost navážky snížená o
hmotnost popela po spálení vzorku
Výhřevnost (Qi) - množství tepla uvolněné dokonalým spálením
analyzované látky v atmosféře kyslíku pod tlakem na oxid uhličitý a
siřičitý, N2 a vodu v plynném skupenství
Tzn. hodnota spalného tepla zmenšená o výparné teplo vody,
uvolněné ze spalované látky během hoření
Qi = Q - 206,0 . w(H)
Qi - výhřevnost
Q - spalné teplo
w(H) - obsah vodíku v
bezvodém stavu
Spalné teplo a výhřevnost paliv
Produkce energie (GJ.ha-1) = Výnos (t.ha-1)*Obsah energie (MJ.kg-1)
Využitelnost fytopaliv závisí na sklizňové vlhkosti
Vlhkost, spalné teplo a výhřevnost u vybraných plodin a hnědého uhlí
Vlhkost
(%)
Spalné teplo
(MJ.kg-1)
Výhřevnost
(MJ.kg-1)
Kostřava rákosovitá 7,44 18,4 17,0
Srha říznačka 7,58 16,3 14,9
Psineček veliký 7,12 16,6 15,4
Šťovík Uteuša 6,27 14,7 13,7
Hnědé uhlí 5 – 40 (28) 19 – 21 (35) (7) 17 – 20 (22)
Zdroj: Andert a kol. (2005) + internet
Požadavky na energetické plodiny pro spalování
Vysoké výnosy sušiny
Nízká vlhkost v době sklizně
nedosoušet nebo na pokose, přemrznutí
Příznivé chemické vlastnosti
nízký obsah S, N, Cl, nízký obs. popelovin,
vysoká teplota tavení popela (zanášení kotlů)
Odolnost vůči zaplevelení
Odolnost chorobám a škůdcům
Mimoprodukční funkce
protierozní, diverzita, rozšíření sortimentu,…
Původní plodina, estetický dojem ad.
Výroba bioplynu (anaerobní fermentace)
hydrolýza
acidogeneze
acetogeneze
metanogeneze
Bioplyn - plynná směs metanu (CH4) a oxidu uhličitého
+ …
Metanizace = anaerobní fermentace organických
materiálů za vzniku metanu
Výroba bioplynu
Výhody:
- možnost zpracování různých odpadních produktů
- možnost souběžné výroby elektrické energie
- využití stejných postupů produkce biomasy (siláže)
Nevýhody:
- investičně velmi náročné technologie
- pouze velkovýrobní využití
- náročná likvidace odpadů po fermentaci
Vysoké výnosy čerstvé hmoty
Vhodná vlhkost v době sklizně
Příznivé chemické vlastnosti
(- opt. poměr C:N aby vyhovoval bakteriím
- bez nežádoucích příměsí (vadí mikrobům) - např. rezidua
pesticidů, antibiotika, zemina)
Dobrá silážovatelnost
Mimoprodukční funkce
Estetický dojem aj.
Požadavky na biomasu pro výrobu bioplynu
Zdroje biomasy pro energetické využití
Rostlinná výroba
nadbytečná fytomasa
cíleně pěstované plodiny
tradiční plodiny
alternativní druhy
Živočišná výroba
kejda
jatečný odpad
RRD, štěpka, …
Čističky odpadních vod, …
stejné technologie
modifikované technologie
Fytomasa pro energetické využití
Plodiny pěstované na orné půdě
Jednoleté
Víceleté
Trvalé travní porosty
Rychle rostoucí dřeviny
Původ: střední Amerika
Využívání: 10 000 let př.n.l.
Do Evropy: po objevu Ameriky (1492)
Heterozní efekt
Svět: mezi 3 nejvýznamnější plodiny
ČR
silážní kukuřice: 180 000 ha
zrnová kukuřice: 100 000 ha
GMO
Kukuřice (Zea mays L.)
JEDNOLETÉ PLODINY PĚSTOVANÉ NA
ORNÉ PŮDĚ
BIOPLYN
Odrůdová skladba
Státní odrůdová kniha ČR
Registrováno více než 300 hybridů kukuřice
V roce 2008 zapsáno 38 nových hybridů (17 S, 20 Z, 1 komb.)
6 GM hybridů (zavíječ kukuřičný)
1. hybrid s odolností proti herbicidní látce Cycloxydim
(hybrid vyšlechtěn - nejedná se o GM hybrid!)
Společný katalog odrůd EU - více než 4 000 hybridů
Vysoký výnos biomasy (až 100 t.ha-1) = produkce metanu
Vysoký výtěžek bioplynu z 1 kg sušiny
Propracovaná pěstební a konzervační technologie
= silážní kukuřice
Rozsáhlý výběr hybridů (FAO 130 – 600)
Technologické možnosti zemědělských podniků
Tradice pěstování
Přednosti kukuřice pro výrobu bioplynu
Požadované kvalitativní parametry
Maximální tvorba metanu
Vysoký stupeň degradibility biomasy
Vysoký obsah cukrů
Obsah vlákniny
celulóza
hemicelulóza
lignin - obtížně fermentovatelný
- zvyšuje se jeho podíl při dozrávání
Koncentrace škrobu a NL není rozhodující
Vysoký výnos
Výnosová jistota - odolnost suchu a chladu
Adaptace pozdních hybridů na naše klimatické podmínky
Šlechtění kukuřice k energetickým účelům
Ostatní jednoleté plodiny pěstované na orné půdě
• Obilniny
• Luskovinoobilní směsky (LOS)
• Čirok – jednosečné formy (č. cukrový)
– vícesečné formy (kříženci č. cukrového a súdánské trávy)
BIOPLYN
• Obilovin
• Řepky
SPALOVÁNÍ
Na zeleno, na senáž
Sláma
Méně tradiční jednoleté až dvouleté plodiny
a) Konopí seté
b) Laskavec
c) Topinambur hlíznatý
d) Světlice barvířská – saflor
e) Sléz přeslenitý
f) Hořčice sarepská
g) Ředkev olejná
h) Pupalka dvouletá i) …
Výhody:
- flexibilní zařazení do OP
- vysoké výnosy fytomasy
- lepší předpoklady k vyschnutí fytomasy
Nevýhody:
- každoroční zakládání porostů
- horší energetické bilance
- nepropracovaná agrotechnika
BIOPLYN
SPALOVÁNÍ
VÍCELETÉ A VYTRVALÉ PLODINY
PĚSTOVANÉ NA ORNÉ PŮDĚ
a) Jeteloviny
b) Trávy
c) Travní a jetelovinotravní směsi
d) Šťovík krmný - Uteuša
e) Mužák prorostlý
f) Sléz vytrvalý
g) Oman pravý
h) Bělotrn kulatohlaý
i) Sida vytrvalá j) …
Výhody:
- porost na více let
- lepší energetická bilance (ekonomika)
Nevýhody netradičních plodin:
- nepropracovaná agrotechnika
- ??dostupnost osiva
- nepůvodní v ČR (zaplevelení, choroby)
BIOPLYN
SPALOVÁNÍ
Jeteloviny
a) Vojtěška setá
b) Jetel luční
c) Komonice bílá
d) Vičenec ligrus
e) Jetel inkarnát
f) Čičorka pestrá
g) Jetel zvrhlý
h) Jestřabina východní
Výhody:
- příznivé mimoprodukční vlastnosti
- vyšší výnosy biomasy oproti travám
- tradice
- …
Nevýhody:
- nižší výnosy biomasy oproti kukuřici
- technické problémy s biomasou
- …
BIOPLYN
(SPALOVÁNÍ)
Trávy
BIOPLYN a) Jílek mnohokvětý
b) Kostřava rákosovitá
c) Kostřava luční
d) Mezirodové hybridy trav
e) Srha laločnatá
f) Bojínek luční
g) Ovsík vyvýšený
h) Sveřep bezbranný
i) Sveřep horský (samužníkovitý,
sitecký)
j) Psineček veliký
k) Chrastice rákosovitá
l) Ozdobnice čínská (Miscanthus)
m) Proso vytrvalé
SPALOVÁNÍ Výhody:
- porosty na více let
- lepší energetické bilance
- většina druhů původní
- propracovaná agrotechnika
- dostupnost osiva
- mimoprodukční funkce
Nevýhody:
- vysoká potřeba hnojení a vláhy
- většinou nižší výnosy
- horší kvalita fytomasy
Výnos a kvalita trav
Výnos
- lze účinně ovlivnit agrotechnikou
- hnojení: 2 – 10 t.ha-1
- frekvence sečí – zásoba rezervních látek v kořenech
a odnožovacích uzlinách
Kvalita biomasy
- druhové a odrůdové rozdíly
- fenofáze v době sklizně (podíl listů, nestravitelných pletiv)
- Nejvíce živin (kromě BNLV) - před metáním a v metání
(vláknina před metáním 20 %, po odkvětu až 35 %
NL před metáním 14 %, po odkvětu 3 %)
Jílek mnohokvětý
2n, 4n
Nejrychlejší vývin X nejkratší vytrvalost
Náročný na klimatické a půdní podmínky (BVO, ŘVO)
Kostřava rákosovitá
Přizpůsobivá, suchovzdorná
Nevýhoda – husté trsy listů (pro spal. lepší stébelnaté)
Kostřava luční
Plastický druh
Zimovzdorná, poměrně suchovzdorná tráva
Trávy
Mezirodové hybridy – Festulolium
Jílek x Kostřava
Festukoidní (JM x KR) - Felina, Hykor
Loloidní (JM xKL) - Perun, Achilles, Perseus
(JM x KR) - Bečva, Lofa
- vysoký výnos i kvalita
- vysoký obsah vodorozpustných cukrů – silážování
- hybridy - různá ranost
Trávy
Srha laločnatá
Plastický druh
Velmi výnosná raná tráva
Bojínek luční
Vhodný i pro chladnější a vlhčí oblasti
Výnosný pozdní druh
Trávy
Ovsík vyvýšený
Teplomilný, suchovzdorný
Velké množství stébel
Méně vytrvalý (3 roky)
Nevhodný do marginálních oblastí
Sveřep bezbranný
Suchovzdorný
Stébelnatá nadzemní biomasa
Sveřep horský
Suchovzdorný
Rychlý růst na jaře
Menší vytrvalost (2 – 3 roky)
Trávy
Psineček veliký
Otužilý, náročný na vláhu
Vhodný do vyšších nadmořských výšek
Chrastice rákosovitá
Nejrozšířenější energ. tráva v Evropě -
severské země
Hodně stébelnatá – výnosy - dobrá kvalita
Náročná na vláhu a živiny (u nás málo
vhodných stanovišť)
Trávy
C4 trávy
Výhody:
vysoká efektivnost využití vody a živin
vysoké výnosy 6 – 25 t.ha-1
hodnoty kvalitativních parametrů příznivé
Nevýhody:
vysoké nároky na půdní podmínky
vysoké náklady na založení porostu – M. giganteus – množí se
jen vegetativně (oddenky, sazenice) – drahé
nebezpečí vymrznutí
nepůvodní druh
Ozdobnice čínská (Miscanthus)
C4 trávy
Výhody:
vysoká efektivnost využití vody a živin
průměrné výnosy 15 t.ha-1
založení setím
lepší kvalita
méně náročné než ozdobnice
Proso vytrvalé
Nevýhody:
nepůvodní druh
pomalý počáteční vývin
velký tlak plevelů v prvních letech po založení
v Evropě málo vyzkoušené
Trávy
hodně hmoty a živin Ostatní jednoděložné
nevýznamné až plevelné
Jeteloviny
hodně bílkovin, vysoký podíl
jemných listů
Ostatní dvouděložné
různá kvalita
Agrobotanické skupiny:
Trvalé smíšené společenstvo rostlin, které se udržuje pravidelným využíváním
TRVALÉ TRAVNÍ POROSTY
Využívání TTP
Alternativní využití TTP
bioplyn, spalování aj.
Neošetřované porosty
=
změny v botanickém složení
=
ohrožení funkce porostů
Louky Pastviny
Mimoprodukční funkce TTP
Ekologické funkce
Druhová diverzita (rostliny, živočichové)
Ochrana životního prostředí
Protierozní působení – odtok vody:
Půda bez porostu 100 %
Kukuřice 46 – 66 %
TTP 0 – 7 %
Estetická funkce
Socio-ekonomické funkce
Zaměstnanost
Rekreační funkce
Ovlivnění botanického složení
Vodní režim Výživný režim Ostatní Obhospodařování
HNOJENÍ
TTP = f (s)
Vyšší výnos a kvalita píce TTP
=
změna stanovištních podmínek
Druhová skladba porostu odpovídá podmínkám stanoviště
Hnojení TTP
Návrat odebraných živin
Výnos 6 – 10 t.ha-1
Dusík - při jarním obrůstání, po seči
Fosfor - zásobně na 2 – 3 roky
Draslík - po 1. seči
Vápník – zásobně na 4 – 5 let
N
(kg.ha-1 )
P
(kg.ha-1 )
K
(kg.ha-1 )
100 – 200 30 – 50 80 - 100
Hnojení TTP
Organická hnojiva
močůvka (20 – 40 m3/ha)
kejda (10 – 40 m3/ha) digestát
– ruderální plevele!
Močůvka
• Účinné a rychle působící NK hnojivo (+ růstové hormony)
• Účinnost závisí na zředění a u N též na ztrátách při uskladnění
• 0,2 % N, 0,4 % K, stopy P a Ca (1,5 - 2 kg N, 4 kg K v 1 m3)
• Dodat 2-3 kg P na 1 m3 močůvky
• Koncentrace K limituje možnosti použití močůvky
• Nejvyšší výnosový efekt má jarní aplikace, avšak nejvíce podporuje
rozvoj ruderálních plevelů
Kejda
• NK hnojivo
• Obsažená organická hmota nemá pro travní porosty tak velký
význam jako na orné půdě
• 4 kg N, 0,5 kg P, 5 kg K v 1 m3
• Následné působení kejdy je vyšší než u močůvky (část organicky
vázaného dusíku)
• Dávku kejdy omezuje maximální přípustná dávka K a možnost
vzniku zaschlé vrstvy na porostu (zhoršení obrůstání, spásání i
kvality sklízené píce)
• Při vyšším zastoupení jetelovin v porostu je nutné snížit dávku
Digestát
Zbytek z anaerobní digesce, který splňuje kvalitativní požadavky
vyhlášky o biologických metodách zpracování biologicky
rozložitelných odpadů
Fugát: oddělená kapalná část z digestátu
Separát: oddělená tuhá část z digestátu
Použití digestátu
Digestát: organické hnojivo typové
min. 25 % spalitelných látek v S
min. 0,6 % N v S
kategorie hnojiv s rychle
uvolnitelným dusíkem
TTP: využití a dávkování digestátu =
kejda (obsah N!)
Dodržení legislativy – termíny
aplikace, nitrátová směrnice aj. !
Vliv hnojení na druhové složení
Přímé x nepřímé působení živin
Počáteční období (3 – 6 let)
změny v podílu funkčních skupin
N – ↑ trávy, ↓ jeteloviny a ost. dvouděložné
PK – ↑ jeteloviny
přehnojení K !!!
Následné období
stadium „rhizomatických trav“
↓ trsnatých trav, ↑ výběžkatých
Vliv hnojení na TTP
Hnojení N
podpora vysokých trav a některých vysokých dvouděložných
druhů
ústup jetelovin
pokles počtu druhů
Hnojení P
podpora jetelovin
pozitivní vliv na kvalitu píce
Hnojení K
ruderální plevele
nebezpečí nadměrného obsahu v píci
Nejvýznamnější faktory:
Fenofáze porostu – termín seče
Botanické složení
Obsah vlákniny
Obsah živin
Výnos a kvalita píce TTP
Produkce bioplynu
Výnos sušiny
(t/ha)
Produkce bioplynu
(ml/g)
Produkce bioplynu
(m3/ha)
TTP 6 – 11 400 – 600 3000 – 5000
Kukuřice 11 – 15 400 – 500
(171 – 555)*
4500 – 7500
Jetel luční,
vojtěška setá
8 – 10 450 – 550 3600 – 5500
*Straka a kol. 2006: Bioplyn
Závěr
Zásadní podíl z obnovitelných
zdrojů energie
Energetické plodiny pěstované
na orné půdě = vysoký výnos
TTP – zachování
mimoprodukčních funkcí
pravidelným využíváním
Energetická biomasa
Použitá literatura
Andert, D., Frydrych, J., Juchelková, D., 2005: Energetické využití trav. In:
Zemědělská technika a biomasa 2005, VÚZT, Praha, s. 110-115.
Český statistický úřad: http://www.czso.cz/
Fuksa, P., Hakl, J., Hrevušová, Z., Šantrůček, J., Gerndtová, I., Habart, J. (2012):
Utilization of permanent grassland for biogas production. In Sahin, A. S. (Ed.) Modeling
and optimization of renewable energy systems.
http://www.intechopen.com/books/modeling-and-optimization-of-renewable-energy-
systems/utilization-of-permanent-grassland-for-biogas-production
Multimediální výuková databáze katedry pícninářství a trávníkářství:
http://kpt.agrobiologie.cz/kpt/atlas/
Pastorek, Z., Kára, J., Jevič, P. (2004): Biomasa - obnovitelný zdroj energie. FCC
Public Praha, 286 s.
Straka, F., Dohányos, M., Zábranská, J., Jeníček, P., Dědek, J., Malijevský, A., Novák,
J., Oldřich, J., Kunčarová, M. (2006): Bioplyn. GAS Praha, 706 s.